JP6918302B2 - Silicon Carbide Semiconductor Device and Method for Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device - Google Patents
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Description
この発明は、炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.
従来、パワー半導体素子においては、素子のオン抵抗の低減を図るため、トレンチ構造を有する縦型MOSFET(Metal Oxied Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電解効果トランジスタ)が作製(製造)されている。縦型MOSFETでは、チャネルが基板表面に対して平行に形成されるプレーナー構造よりも基板表面に対して垂直に形成されるトレンチ構造の方が単位面積当たりのセル密度を増やすことができるため、単位面積当たりの電流密度を増やすことができ、コスト面から有利である。 Conventionally, in a power semiconductor element, in order to reduce the on-resistance of the element, a vertical MOSFET (Metal Oxided Semiconductor Field Effect Transistor) having a trench structure has been manufactured (manufactured). In a vertical MOSFET, a trench structure in which channels are formed perpendicular to the substrate surface can increase the cell density per unit area rather than a planar structure in which channels are formed parallel to the substrate surface. The current density per area can be increased, which is advantageous in terms of cost.
しかしながら、縦型MOSFETにトレンチ構造を形成するとチャネルを垂直方向に形成するためにトレンチ内壁全域をゲート絶縁膜で覆う構造となり、ゲート絶縁膜のトレンチ底部の部分がドレイン電極に近づくため、ゲート絶縁膜のトレンチ底部の部分に高電界が印加されやすい。特に、ワイドバンドギャップ半導体(シリコンよりもバンドギャップが広い半導体、例えば、炭化珪素(SiC))では超高耐圧素子を作製するため、トレンチ底部のゲート絶縁膜への悪影響は、信頼性を大きく低下させる。 However, when a trench structure is formed in a vertical MOSFET, the entire inner wall of the trench is covered with a gate insulating film in order to form a channel in the vertical direction, and the bottom portion of the trench of the gate insulating film approaches the drain electrode. A high electric field is likely to be applied to the bottom of the trench. In particular, since a wide bandgap semiconductor (a semiconductor having a wider bandgap than silicon, for example, silicon carbide (SiC)) is used to produce an ultrahigh withstand voltage element, the adverse effect on the gate insulating film at the bottom of the trench greatly reduces reliability. Let me.
このような問題を解消する方法として、ストライプ状の平面パターンを有するトレンチ構造の縦型MOSFETにおいて、トレンチとトレンチの間、トレンチと平行にストライプ状にp+型ベース領域を設ける技術が提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。さらに、トレンチ底に、トレンチと平行にストライプ状にp+型ベース領域を設ける技術が提案されている。
As a method for solving such a problem, in a vertical MOSFET having a trench structure having a striped planar pattern, a technique has been proposed in which a p + type base region is provided in a striped pattern between trenches in parallel with the trench. (For example, see
図17は、従来の炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。図17に示す従来の炭化珪素半導体装置は、炭化珪素からなる半導体基体(以下、炭化珪素基体とする)100のおもて面(p+型ベース層6側の面)側に一般的なトレンチゲート構造のMOSゲートを備える。炭化珪素基体(半導体チップ)100は、炭化珪素からなるn+型支持基板(以下、n+型炭化珪素基板とする)1上にn-型ドリフト層2、電流拡散領域であるn型領域5およびp+型ベース層6となる各炭化珪素層を順にエピタキシャル成長させてなる。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional silicon carbide semiconductor device. The conventional silicon carbide semiconductor device shown in FIG. 17 has a general trench on the front surface (the surface on the p +
n型領域5には、トレンチ18の底面全体を覆うように第1p++型領域3が選択的に設けられている。第1p++型領域3は、n-型ドリフト層2に達しない深さで設けられている。また、n型領域5には、隣り合うトレンチ18間(メサ部)に、第2p++型領域4が選択的に設けられている。第2p++型領域4は、p+型ベース層6に接し、かつn-型ドリフト層2に達しない深さで設けられている。符号7〜12は、それぞれn++型ソース領域、p+++型コンタクト領域、ゲート絶縁膜、ゲート電極、層間絶縁膜およびソース電極である。
In the n-type region 5, a first p ++
図17の構成の縦型MOSFETにおいて、第1p++型領域3、第2p++型領域4とn型領域5とのpn接合がトレンチ18よりも深い位置にある。このため、第1p++型領域3、第2p++型領域4とn型領域5との境界に電界が集中し、トレンチ18の底部の電界集中を緩和することが可能となる。
In the vertical MOSFET having the configuration shown in FIG. 17, the pn junction between the first p ++
また、オン抵抗を低減するため、トレンチの底面に設けられるフィールドプレート絶縁膜のZ方向(トレンチの深さ方向)の厚さを、フィールドプレート絶縁膜のX方向(トレンチの幅方向)の厚さよりも薄くすることで、n型ベース層のキャリア濃度を高く設定することが可能となる半導体装置がある(例えば、下記特許文献2参照)。
Further, in order to reduce the on-resistance, the thickness of the field plate insulating film provided on the bottom surface of the trench in the Z direction (trench depth direction) is set from the thickness of the field plate insulating film in the X direction (trench width direction). There is a semiconductor device in which the carrier concentration of the n-type base layer can be set high by making the thickness thinner (see, for example,
上述した従来構造では、トレンチが、p+型ベース層6と接する部分の長さを短くすることにより、チャネル長を短くして、オン抵抗をさらに下げることができる。しかしながら、チャネル長を短くすると、短チャネル効果により、半導体装置の閾値電圧が急激に低下してしまう。この場合、半導体装置のスイッチングデバイスとしての用途が限られてしまう。 In the conventional structure described above, the channel length can be shortened and the on-resistance can be further reduced by shortening the length of the portion where the trench is in contact with the p + type base layer 6. However, when the channel length is shortened, the threshold voltage of the semiconductor device drops sharply due to the short channel effect. In this case, the use of the semiconductor device as a switching device is limited.
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、チャネル長を短くして、オン抵抗を下げても、閾値電圧の低下を起こさない炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above-mentioned problems caused by the prior art, the present invention provides a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device, which does not cause a decrease in the threshold voltage even if the channel length is shortened and the on-resistance is lowered. The purpose is to provide.
上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、次の特徴を有する。炭化珪素基板のおもて面に第1導電型の第1半導体層が設けられている。前記第1半導体層の、前記炭化珪素基板側に対して反対側に第2導電型の第2半導体層が設けられている。前記第2半導体層の内部に、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域が選択的に設けられている。前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチが設けられている。前記トレンチの内部に、前記第2半導体層および前記第1半導体層と接する半導体膜が設けられている。前記トレンチの内部、前記半導体膜の内側にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。前記第1半導体領域および前記第2半導体層に接する第1電極が設けられている。前記炭化珪素基板の裏面に第2電極が設けられている。前記半導体膜は、前記第2半導体層と接する領域が、前記第2半導体層より不純物濃度の低い第2導電型の領域であり、前記第1半導体層と接する領域が、前記第1半導体層より不純物濃度の低い第1導電型の領域であり、前記トレンチの中心に近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有する。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention has the following features. A first conductive type first semiconductor layer is provided on the front surface of the silicon carbide substrate. A second conductive type second semiconductor layer is provided on the side of the first semiconductor layer opposite to the silicon carbide substrate side. Inside the second semiconductor layer, a first conductive type first semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer is selectively provided. A trench is provided that penetrates the first semiconductor region and the second semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer. Inside the trench, a semiconductor film in contact with the second semiconductor layer and the first semiconductor layer is provided. A gate electrode is provided inside the trench and inside the semiconductor film via a gate insulating film. A first electrode in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor layer is provided. A second electrode is provided on the back surface of the silicon carbide substrate. In the semiconductor film, the region in contact with the second semiconductor layer is a second conductive type region having a lower impurity concentration than the second semiconductor layer, and the region in contact with the first semiconductor layer is from the first semiconductor layer. Ri region der of low impurity concentration first conductivity type, having a profile in which the impurity concentration is lower the closer to the center of the trench.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、上述した発明において、前記半導体膜は、前記第2半導体層と接する領域が、前記第2半導体層より不純物濃度の低い第2導電型であり、前記トレンチの底には設けられていないことを特徴とする。 Further, in the silicon carbide semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the semiconductor film is a second conductive type in which a region in contact with the second semiconductor layer has a lower impurity concentration than the second semiconductor layer. It is characterized in that it is not provided at the bottom of the trench.
また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、炭化珪素基板のおもて面に第1導電型の第1半導体層を形成する第1工程を行う。次に、前記第1半導体層の、前記炭化珪素基板側に対して反対側に第2導電型の第2半導体層を形成する第2工程を行う。次に、前記第2半導体層の内部に、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域を選択的に形成する第3工程を行う。次に、前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチを形成する第4工程を行う。次に、前記トレンチの内部に、前記第2半導体層および前記第1半導体層と接する半導体膜を形成する第5工程を行う。次に、前記トレンチの内部、前記半導体膜の内側にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を形成する第6工程を行う。次に、前記第1半導体領域および前記第2半導体層に接する第1電極を形成する第7工程を行う。次に、前記炭化珪素基板の裏面に第2電極を形成する第8工程を行う。前記第5工程は、前記半導体膜の前記第2半導体層と接する領域を、前記第2半導体層より不純物濃度の低い第2導電型の領域に形成し、前記半導体膜の前記第1半導体層と接する領域を、前記第1半導体層より不純物濃度の低い第1導電型の領域に形成し、前記半導体膜を、前記トレンチの中心に近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有するように形成する。 Further, in order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention has the following features. First, the first step of forming the first conductive type first semiconductor layer on the front surface of the silicon carbide substrate is performed. Next, a second step of forming the second conductive type second semiconductor layer on the side of the first semiconductor layer opposite to the silicon carbide substrate side is performed. Next, a third step of selectively forming a first conductive type first semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer is performed inside the second semiconductor layer. Next, a fourth step of forming a trench that penetrates the first semiconductor region and the second semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer is performed. Next, a fifth step of forming a semiconductor film in contact with the second semiconductor layer and the first semiconductor layer is performed inside the trench. Next, a sixth step of forming a gate electrode provided inside the trench and inside the semiconductor film via a gate insulating film is performed. Next, a seventh step of forming the first electrode in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor layer is performed. Next, the eighth step of forming the second electrode on the back surface of the silicon carbide substrate is performed. In the fifth step, a region of the semiconductor film in contact with the second semiconductor layer is formed in a second conductive type region having a lower impurity concentration than the second semiconductor layer, and the region is formed with the first semiconductor layer of the semiconductor film. The contacting region is formed in a first conductive type region having a lower impurity concentration than the first semiconductor layer , and the semiconductor film is formed so as to have a profile in which the impurity concentration becomes lower as it approaches the center of the trench .
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第5工程は、前記第1半導体領域上、前記第2半導体層上、および前記トレンチの内部に、半導体膜をエピタキシャル成長させる工程と、前記トレンチの底の前記半導体膜を除去する工程と、前記半導体膜の前記第2半導体層と接する領域を、前記第2半導体層より不純物濃度の低い第2導電型の領域にする工程と、を含む工程であることを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, in the fifth step, a semiconductor film is formed on the first semiconductor region, on the second semiconductor layer, and inside the trench. The step of epitaxially growing, the step of removing the semiconductor film at the bottom of the trench, and the region of the semiconductor film in contact with the second semiconductor layer are divided into a second conductive type region having a lower impurity concentration than the second semiconductor layer. It is characterized in that it is a process including the process of performing.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記トレンチの底の前記半導体膜を除去する工程は、前記第1半導体領域上、前記第2半導体層上および前記トレンチの側壁の前記半導体膜を薄くし、前記トレンチの底の前記半導体膜を除去することを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the step of removing the semiconductor film at the bottom of the trench is performed on the first semiconductor region, on the second semiconductor layer, and in the trench. The semiconductor film on the side wall of the trench is thinned, and the semiconductor film on the bottom of the trench is removed.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第5工程は、前記第3工程で形成された前記第1半導体領域を活性化する処理により、前記トレンチの中心に近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有する前記半導体膜を形成することを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the fifth step is the center of the trench by the treatment of activating the first semiconductor region formed in the third step. It is characterized in that the semiconductor film having a profile in which the impurity concentration becomes lower as it approaches is formed.
また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第5工程は、前記第4工程で形成された前記トレンチに対するアニール処理により、前記トレンチの中心に近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有する前記半導体膜を形成することを特徴とする。 Further, in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the fifth step is an annealing treatment for the trench formed in the fourth step, and the impurity concentration becomes closer to the center of the trench. It is characterized in that the semiconductor film having a low profile is formed.
また、上述した発明によれば、トレンチの内部、p+型ベース層(第2導電型の第2半導体層)と接する領域に、p+型ベース層より不純物濃度の低い低濃度薄膜(半導体膜)を設けることで、チャネル部の不純物濃度を低くすることができる。これにより、ゲートに電圧を印加する際、チャネル部が完全空乏化し、ドレイン側から侵入する電界を抑制することができる。結果、チャネル長を短くしても、閾値が短チャネル効果により急激に低下することを防止でき、閾値を維持したままチャネル長を短くすることができるため、オン抵抗−閾値のトレードオフ改善できる。 Further, according to the above-described invention, a low-concentration thin film (semiconductor film ) having a lower impurity concentration than the p + type base layer is formed in a region in contact with the p + type base layer (second conductive type second semiconductor layer) inside the trench. ) Can be provided to reduce the impurity concentration in the channel portion. As a result, when a voltage is applied to the gate, the channel portion is completely depleted, and the electric field entering from the drain side can be suppressed. As a result, even if the channel length is shortened, it is possible to prevent the threshold value from suddenly decreasing due to the short channel effect, and the channel length can be shortened while maintaining the threshold value, so that the on-resistance-threshold trade-off can be improved.
トレンチの中心に近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有する低濃度薄膜は、トレンチに対するアニール処理、または、n++型ソース領域およびp+++型コンタクト領域を活性化する処理により形成することができる。これにより、既存の工程により、低濃度薄膜を形成でき、オン抵抗を低減することができる半導体装置を低コストで実現できる。 A low-concentration thin film having a profile in which the impurity concentration decreases toward the center of the trench can be formed by annealing the trench or activating the n ++ type source region and the p +++ type contact region. can. As a result, a semiconductor device capable of forming a low-concentration thin film and reducing on-resistance can be realized at low cost by an existing process.
また、低濃度薄膜が、トレンチの底に設けられていないことより、ドリフト−ゲート間の容量が小さくなり、スイッチング時の損失が低減できる。これにより、動作時に、電力損失が少なく、発熱が少なくなる半導体装置を実現できる。 Further, since the low-concentration thin film is not provided at the bottom of the trench, the capacitance between the drift and the gate is reduced, and the loss during switching can be reduced. As a result, it is possible to realize a semiconductor device having less power loss and less heat generation during operation.
また、低濃度薄膜をエピタキシャル成長で形成するには、時間、流量、圧力等の制御が難しいが、上述した発明では、厚い膜を形成して、エッチングにより薄くしているため、低濃度薄膜を容易に作成することができる。 Further, in order to form a low-concentration thin film by epitaxial growth, it is difficult to control time, flow rate, pressure, etc. However, in the above-mentioned invention, a thick film is formed and thinned by etching, so that a low-concentration thin film can be easily formed. Can be created in.
本発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、チャネル長を短くして、オン抵抗を下げても、閾値電圧の低下を起こさないという効果を奏する。 According to the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention, there is an effect that the threshold voltage does not decrease even if the channel length is shortened and the on-resistance is lowered.
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that the electrons or holes are a large number of carriers in the layers and regions marked with n or p, respectively. Further, + and-attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and the impurity concentration is lower than that of the layer or region to which it is not attached, respectively. In the following description of the embodiment and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same configurations, and duplicate description will be omitted.
(実施の形態1)
本発明にかかる半導体装置は、シリコンよりもバンドギャップが広い半導体(以下、ワイドバンドギャップ半導体とする)を用いて構成される。ここでは、ワイドバンドギャップ半導体として例えば炭化珪素(SiC)を用いた半導体装置(炭化珪素半導体装置)の構造を例に説明する。図1は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。図1には、2つの単位セル(素子の機能単位)のみを示し、これらに隣接する他の単位セルを図示省略する。図1に示す実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置は、炭化珪素からなる半導体基体(炭化珪素基体:半導体チップ)100のおもて面(p+型ベース層6側の面)側にMOSゲートを備えたMOSFETである。
(Embodiment 1)
The semiconductor device according to the present invention is configured by using a semiconductor having a bandgap wider than that of silicon (hereinafter, referred to as a wide bandgap semiconductor). Here, the structure of a semiconductor device (silicon carbide semiconductor device) using, for example, silicon carbide (SiC) as the wide bandgap semiconductor will be described as an example. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 1 shows only two unit cells (functional units of elements), and other unit cells adjacent to them are not shown. The silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1 has a MOS on the front surface (the surface on the p +
炭化珪素基体100は、炭化珪素からなるn+型支持基板(n+型炭化珪素基板)1上にn-型ドリフト層(第1半導体層)2およびp+型ベース層(第2半導体層)6となる各炭化珪素層を順にエピタキシャル成長させてなる。MOSゲートは、p+型ベース層6と、n++型ソース領域(第1半導体領域)7、p+++型コンタクト領域8、トレンチ18、ゲート絶縁膜9およびゲート電極10で構成される。具体的には、n-型ドリフト層2のソース側(ソース電極12側)の表面層には、p+型ベース層6に接するようにn型領域5が設けられている。n型領域5は、キャリアの広がり抵抗を低減させる、いわゆる電流拡散層(Current Spreading Layer:CSL)である。このn型領域5は、例えば、基体おもて面(炭化珪素基体100のおもて面)に平行な方向(以下、横方向とする)に一様に設けられている。
The
n型領域5の内部には、第1p++型領域3、第2p++型領域4がそれぞれ選択的に設けられている。第1p++型領域3は、トレンチ18の底面および底面コーナー部を覆うように設けられている。トレンチ18の底面コーナー部とは、トレンチ18の底面と側壁との境界である。第1p++型領域3は、p+型ベース層6とn型領域5との界面よりもドレイン側に深い位置から、n型領域5とn-型ドリフト領域2との界面に達しない深さで設けられている。第1p++型領域3を設けることで、トレンチ18の底面付近に、第1p++型領域3とn型領域3との間のpn接合を形成することができる。
Inside the n-
第2p++型領域4は、隣り合うトレンチ18間(メサ部)に、第1p++型領域3と離して、かつp+型ベース層6に接するように設けられている。第2p++型領域4は、その一部をトレンチ18側に延在させて部分的に第1p++型領域3と接していてもよい。また、第2p++型領域4は、p+型ベース層6とn型領域5との界面から、n型領域5とn-型ドリフト領域2との界面に達しない深さで設けられている。第2p++型領域4を設けることで、隣り合うトレンチ18間において、トレンチ18の底面よりもドレイン側に深い位置に、第2p++型領域4とn型領域5との間のpn接合を形成することができる。このように第1p++型領域3、第2p++型領域4とn型領域5とでpn接合を形成することで、ゲート絶縁膜9のトレンチ18底面の部分に高電界が印加されることを防止することができる。
The second p ++ type region 4 is provided between adjacent trenches 18 (mesa portion) so as to be separated from the first p ++ type region 3 and in contact with the p +
p+型ベース層6の内部には、互いに接するようにn++型ソース領域7およびp+++型コンタクト領域8がそれぞれ選択的に設けられている。p+++型コンタクト領域8の深さは、例えばn++型ソース領域7と同じ深さでも良いし、n++型ソース領域7よりもよりも深くてもよい。
Inside the p +
トレンチ18は、基体おもて面からn++型ソース領域7およびp+型ベース層6を貫通してn型領域5および第1p++型領域3に達する。トレンチ18の内部には、低濃度薄膜14が設けられている。この低濃度薄膜14により、チャネル表面の不純物濃度を低くでき、チャネル領域の抵抗が増加し、閾値電圧の低下を防ぐことが可能になる。
The trench 18 penetrates the n ++ type
低濃度薄膜14は、n++型ソース領域7、p+型ベース層6、n型領域5および第1p++型領域3と接し、接している領域と同じ導電型であり、接している領域より不純物濃度が低くなっている。例えば、低濃度薄膜14のn++型ソース領域7と接している領域S1は、n-型であり、n++型ソース領域7より不純物濃度が低い。また、低濃度薄膜14のp+型ベース層6と接している領域S2は、p-型であり、p+型ベース層6より不純物濃度が低い。また、低濃度薄膜14のn型領域5と接している領域S3は、n-型であり、n型領域5より不純物濃度が低い。また、低濃度薄膜14の第1p++型領域3と接している領域S4は、p-型であり、第1p++型領域3より不純物濃度が低い。この低濃度薄膜14のp+型ベース層6と接している領域S2により、チャネル表面の不純物濃度を低くでき、チャネル領域の抵抗が増加し、閾値電圧の低下を防ぐことが可能になる。また、低濃度薄膜14の膜厚は、チャネル長と低濃度薄膜14の膜厚とのアスペクト比が2以上になることが好ましい。例えば、チャネル長が0.4μmであれば、低濃度薄膜14の膜厚を0.2μm以下として、チャネル長/低濃度薄膜14の膜厚≧2とすることが好ましい。
The low-concentration
また、低濃度薄膜14は、トレンチ18の中心Oに近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有する。具体的には、低濃度薄膜14は、n++型ソース領域7、p+型ベース層6、n型領域5および第1p++型領域3と接する部分で不純物濃度が最も高く、後述するゲート絶縁膜9に接する部分で不純物濃度が最も低くなっている。p+型ベース層6と接する領域で不純物濃度が最も高いため、低濃度薄膜14は、チャネル領域の抵抗をさらに増加させることができる。
Further, the low-concentration
トレンチ18の内部、低濃度薄膜14の内側には、トレンチ18の側壁に沿ってゲート絶縁膜9が設けられ、ゲート絶縁膜9の内側にゲート電極10が設けられている。ゲート電極10のソース側端部は、基体おもて面から外側に突出していてもいなくてもよい。ゲート電極10は、図示省略する部分でゲートパッド(不図示)に電気的に接続されている。層間絶縁膜11は、トレンチ18に埋め込まれたゲート電極10を覆うように基体おもて面全面に設けられている。
A
ソース電極(第1電極)12は、層間絶縁膜11に開口されたコンタクトホールを介してn++型ソース領域7およびp+++型コンタクト領域8に接するとともに、層間絶縁膜11によってゲート電極10と電気的に絶縁されている。ソース電極12と層間絶縁膜11との間に、例えばソース電極12からゲート電極10側への金属原子の拡散を防止するニッケルシリサイド膜15を設ける。ソース電極12上には、ソース電極パッド(不図示)が設けられている。炭化珪素基体10の裏面(n+型ドレイン領域となるn+型炭化珪素基板1の裏面)には、ドレイン電極(第2電極)13が設けられている。
The source electrode (first electrode) 12 is in contact with the n ++
次に、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図2〜8は、実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、n+型ドレイン領域となるn+型炭化珪素基板1を用意する。次に、n+型炭化珪素基板1のおもて面に、上述したn-型ドリフト層2をエピタキシャル成長させる。例えば、n-型ドリフト層2を形成するためのエピタキシャル成長の条件を、n-型ドリフト層2の不純物濃度が8×1015/cm3程度となるように設定してもよい。
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment will be described. 2 to 8 are cross-sectional views showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment. First, a n + -type
次に、n-型ドリフト層2の上に、下側n型領域5aをエピタキシャル成長させる。例えば、下側n型領域5aを形成するためのエピタキシャル成長の条件を、下側n型領域5aの不純物濃度が1×1017/cm3程度となるように設定してもよい。この下側n型領域5aは、n型領域5の一部である。次に、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、下側n型領域5aの表面層に、第1p++型領域3、下側第2p++型領域4aを選択的に形成する。例えば、第1p++型領域3、下側第2p++型領域4aを形成するためのイオン注入時のドーズ量を、不純物濃度が5×1018/cm3程度となるように設定してもよい。ここまでの状態が図2に記載される。
Next, the lower n-
次に、下側n型領域5a、下側第2p++型領域4aの上に、上側n型領域5bをエピタキシャル成長させる。例えば、上側n型領域5bを形成するためのエピタキシャル成長の条件を、下側n型領域5aの不純物濃度と同程度となるように設定してもよい。この上側n型領域5bは、n型領域5の一部であり、下側n型領域5aと上側n型領域5bを合わせて、n型領域5となる。次に、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、上側n型領域5bの表面層に、上側第2p++型領域4bを選択的に形成する。例えば、上側第2p++型領域4bを形成するためのイオン注入時のドーズ量を、不純物濃度が下側第2p++型領域4aと同程度となるように設定してもよい。ここまでの状態が図3に記載される。
Next, the upper n-
次に、上側n型領域5bおよび上側第2p++型領域4bの上に、p+型ベース層6をエピタキシャル成長させる。例えば、p+型ベース層6を形成するためのエピタキシャル成長の条件を、p+型ベース層6の不純物濃度が1×1018/cm3程度となるように設定してもよい。また、p型不純物のイオン注入により、上側n型領域5bの導電型を反転させることで、p+型ベース層6を形成しても良い。
Next, the p +
次に、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、p+型ベース層6の表面層に、p+++型コンタクト領域8を選択的に形成する。例えば、p+++型コンタクト領域8を形成するためのイオン注入時のドーズ量を、不純物濃度が1×1020/cm3程度となるように設定してもよい。ここまでの状態が図4に記載される。
Next, the p +++
次に、フォトリソグラフィおよびn型不純物のイオン注入により、p+型ベース層6の表面層にp+++型コンタクト領域8に接するようにn++型ソース領域7を選択的に形成する。例えば、n++型ソース領域7を形成するためのイオン注入時のドーズ量を、不純物濃度が1×1020/cm3程度となるように設定してもよい。n++型ソース領域7とp+++型コンタクト領域8との形成順序を入れ替えてもよい。
Next, the n ++ type
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、n++型ソース領域7およびp+型ベース層6を貫通して、n型領域5および下側第2p++型領域4aに達するトレンチ18を形成する。トレンチ形成時のマスクには酸化膜を用いる。ここまでの状態が図5に記載される。
Next, photolithography and etching are performed to form a
次に、n++型ソース領域7上、p+型ベース層6上およびトレンチ18の内部に、低濃度薄膜14となる低濃度薄膜14’を厚さ0.03〜0.1μmまでエピタキシャル成長させる。低濃度薄膜14’の厚さの誤差は、±10%程度である。例えば、低濃度薄膜14’を形成するためのエピタキシャル成長の条件を、低濃度薄膜14’の不純物濃度が1×1014〜5×1016/cm3程度となるように設定してもよい。また、低濃度薄膜14’の濃度の誤差は、±100%程度である。ここで、低濃度薄膜14’の導電型は、n型でも、p型でもかまわない。さらに、低濃度薄膜14’はノンドープであってもかまわない。ここまでの状態が図6に記載される。
Next, a low-concentration thin film 14'which becomes a low-concentration
また、低濃度薄膜14’成長後に、トレンチ18のダメージを除去するための等方性エッチングや、トレンチ18の底部およびトレンチ18の開口部の角を丸めるための水素アニールを施してもよい。等方性エッチングと水素アニールはどちらか一方のみを行ってもよい。また、等方性エッチングを行った後に水素アニールを行ってもよい。水素アニールは、例えば、1500℃で行う。
Further, after the low-concentration thin film 14'growth, isotropic etching for removing damage to the
水素アニールを行った場合、水素アニールにより、低濃度薄膜14’は、低濃度薄膜14となる。つまり、接する領域と導電型が同じである低濃度薄膜14が形成される。具体的には、低濃度薄膜14’のn++型ソース領域7と接する部分は、n++型ソース領域7からn型不純物、例えばリン(P)が、横方向および縦方向に拡散し、導電型がn-型となる。ここで、横方向は、トレンチの幅方向であり、横方向に拡散する部分は、トレンチ18内の低濃度薄膜14’がn++型ソース領域7と接する部分である。また、縦方向は、トレンチの深さ方向であり、縦方向に拡散する部分は、炭化珪素基体100の上部で低濃度薄膜14’がn++型ソース領域7と接する部分である。同様に、低濃度薄膜14’のp+型ベース層6と接する部分は、p+型ベース層6からp型不純物、例えばアルミニウム(Al)が横方向に拡散し、導電型がp-型となる。低濃度薄膜14’のp+型ベース層6、n型領域5、第1p++型領域3と接する部分も同様である。なお、炭化珪素は、不純物が拡散しにくい材料であるため、横方向に拡散した不純物が縦方向にさらに拡散することは少ない。このため、低濃度薄膜14は、低濃度薄膜14と接する領域の導電型と同じになる。
When hydrogen annealing is performed, the low-concentration thin film 14'becomes a low-concentration
また、低濃度薄膜14は、低濃度薄膜14と接する領域から、p型またはn型の不純物が拡散するため、低濃度薄膜14の不純物濃度は、n++型ソース領域7、p+型ベース層6等と接する部分がもっと高くなり、n++型ソース領域7、p+型ベース層6等から離れるにしたがって低くなる。これにより、低濃度薄膜14は、トレンチ18の中心Oに近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有する。
Further, since the low-concentration
次に、イオン注入された領域に対して、活性化アニールを施す。例えば、活性化アニールは1700℃で行う。これにより、n++型ソース領域7、p+型ベース層6にイオン注入された不純物が活性化される。ここで、トレンチ18に対する水素アニールを行わなかった場合、活性化アニールにより、低濃度薄膜14’は、低濃度薄膜14となる。処理内容は、トレンチ18に対する水素アニールの場合と同様であるため、省略する。ここまでの状態が図7に記載される。また、活性化アニールは、トレンチ18を形成する前に実施する場合もある。この場合、低濃度薄膜14を形成するため、トレンチ18に対する水素アニールを実施する必要がある。
Next, activation annealing is performed on the ion-implanted region. For example, activation annealing is performed at 1700 ° C. As a result, the impurities ion-implanted into the n ++ type
次に、炭化珪素基体100のおもて面およびトレンチ18の内壁に沿ってゲート絶縁膜9を形成する。次に、トレンチ18に埋め込むように例えばポリシリコンを堆積しエッチングすることで、トレンチ18の内部にゲート電極10となるポリシリコンを残す。その際、エッチバックしてポリシリコンを基体表部より内側に残すようにエッチングしてもよく、パターニングとエッチングを施すことでポリシリコンが基体表部より外側に突出していてもよい。ここまでの状態が図8に記載される。
Next, the
次に、ゲート電極10を覆うように、炭化珪素基体100のおもて面全面に層間絶縁膜11を形成する。層間絶縁膜11は、例えば、NSG(None−doped Silicate Glass:ノンドープシリケートガラス)、PSG(Phospho Silicate Glass)、BPSG(Boro Phospho Silicate Glass)、HTO(High Temperature Oxide)、あるいはそれらの組み合わせで形成される。次に、層間絶縁膜11およびゲート絶縁膜9をパターニングしてコンタクトホールを形成し、n++型ソース領域7およびp+++型コンタクト領域8を露出させる。
Next, an
次に、半導体基体100のおもて面側に、例えばスパッタ法でニッケル(Ni)膜を形成する。次に、シンタリング(熱処理)により炭化珪素半導体部(n+ソース領域7およびp+++型コンタクト領域8)とニッケル膜とを反応させてニッケルシリサイド膜15を形成することで、炭化珪素半導体部とのオーミックコンタクトを形成する。なお、層間絶縁膜11とニッケル膜との間にTiN(窒化チタン)膜を形成しても良い。このニッケルシリサイド膜15を形成する処理において、低濃度薄膜14のp+++型コンタクト領域8と接する部分のp-層は消失するため、低濃度薄膜14がコンタクト抵抗に影響を及ぼすことがなくなる。
Next, a nickel (Ni) film is formed on the front surface side of the
次に、n++型ソース領域7に接するように、ソース電極12を形成する。ソース電極12は、ニッケルシリサイド膜15を覆うように形成されてもよいし、コンタクトホール内にのみ残してもよい。
Next, the source electrode 12 is formed so as to be in contact with the n ++ type source region 7. The source electrode 12 may be formed so as to cover the
次に、コンタクトホールを埋め込むようにソース電極パッドを形成する。ソース電極パッドを形成するために堆積した金属層の一部をゲートパッドとしてもよい。n+型炭化珪素基板1の裏面には、ドレイン電極13のコンタクト部にスパッタ蒸着などを用いてニッケル(Ni)膜、チタン(Ti)膜などの金属膜を形成する。この金属膜は、Ni膜、Ti膜を複数組み合わせて積層してもよい。その後、金属膜がシリサイド化してオーミックコンタクトを形成するように、高速熱処理(RTA:Rapid Thermal Annealing)などのアニールを施す。その後、例えばTi膜、Ni膜、金(Au)を順に積層した積層膜などの厚い膜を電子ビーム(EB:Electron Beam)蒸着などで形成し、ドレイン電極13を形成する。
Next, the source electrode pad is formed so as to embed the contact hole. A part of the metal layer deposited to form the source electrode pad may be used as a gate pad. On the back surface of the n + type
上述したエピタキシャル成長およびイオン注入においては、n型不純物(n型ドーパント)として、例えば、炭化珪素に対してn型となる窒素(N)やリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)などを用いればよい。p型不純物(p型ドーパント)として、例えば、炭化珪素に対してp型となるホウ素(B)やアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、タリウム(Tl)などを用いればよい。このようにして、図1に示すMOSFETが完成する。 In the above-mentioned epitaxial growth and ion implantation, examples of n-type impurities (n-type dopants) include nitrogen (N), phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb), which are n-type with respect to silicon carbide. Should be used. As the p-type impurity (p-type dopant), for example, boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), thallium (Tl), etc., which are p-type with respect to silicon carbide, may be used. .. In this way, the MOSFET shown in FIG. 1 is completed.
以上、説明したように、実施の形態1によれば、トレンチの内部、p+型ベース層と接する領域に、p+型ベース層より不純物濃度の低い低濃度薄膜を設けることで、チャネル部の不純物濃度を低くすることができる。これにより、ゲートに電圧を印加する際、チャネル部が完全空乏化し、ドレイン側から侵入する電界を抑制することができる。結果、チャネル長を短くしても、閾値が短チャネル効果により急激に低下することを防止でき、閾値を維持したままチャネル長を短くすることができるため、オン抵抗−閾値のトレードオフを改善できる。 As described above, according to the first embodiment, the trench, the region in contact with p + -type base layer, by providing the low-concentration thin low impurity concentration than the p + -type base layer, the channel portion Impurity concentration can be lowered. As a result, when a voltage is applied to the gate, the channel portion is completely depleted, and the electric field entering from the drain side can be suppressed. As a result, even if the channel length is shortened, it is possible to prevent the threshold value from dropping sharply due to the short channel effect, and the channel length can be shortened while maintaining the threshold value, so that the on-resistance-threshold value trade-off can be improved. ..
また、低濃度薄膜が、トレンチの中心に近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有することで、さらに、チャネル部の不純物濃度をさらに低くすることができる。これにより、チャネル長をより短くして、オン抵抗を低下させることができる。 Further, since the low-concentration thin film has a profile in which the impurity concentration decreases as it approaches the center of the trench, the impurity concentration in the channel portion can be further reduced. As a result, the channel length can be shortened and the on-resistance can be reduced.
また、トレンチの中心に近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有する低濃度薄膜は、トレンチに対するアニール処理、または、n++型ソース領域およびp+++型コンタクト領域を活性化する処理により形成することができる。これにより、既存の工程により、低濃度薄膜を形成でき、オン抵抗を低減できる半導体装置を低コストで実現できる。 Further, a low-concentration thin film having a profile in which the impurity concentration decreases toward the center of the trench is formed by an annealing treatment on the trench or a treatment for activating the n ++ type source region and the p +++ type contact region. be able to. As a result, a semiconductor device capable of forming a low-concentration thin film and reducing on-resistance can be realized at low cost by an existing process.
(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図9は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置が実施の形態1にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、図9に示すように、実施の形態2では、低濃度薄膜14がトレンチ18の底に設けられていない点である。
(Embodiment 2)
Next, the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. The difference between the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment and the silicon carbide semiconductor device according to the first embodiment is that, as shown in FIG. 9, in the second embodiment, the low-concentration
低濃度薄膜14は、n++型ソース領域7、p+型ベース層6およびn型領域5と接し、接している領域と同じ導電型であり、接している領域より不純物濃度が低くなっている。例えば、低濃度薄膜14のn++型ソース領域7と接している領域S1は、n-型であり、n++型ソース領域7より不純物濃度が低い。また、低濃度薄膜14のp+型ベース層6と接している領域S2は、p-型であり、p+型ベース層6より不純物濃度が低い。また、低濃度薄膜14のn型領域5と接している領域S3は、n-型であり、n型領域5より不純物濃度が低い。また、低濃度薄膜14は、第1p++型領域3と接していない。つまり、低濃度薄膜14は、トレンチ18の底には設けられず、トレンチ18の底では、トレンチ18と第1p++型領域3とが接している。これにより、ドリフト−ゲート間の容量が小さくなり、スイッチング時の損失が低減できる。また、低濃度薄膜14の膜厚は、チャネル長と低濃度薄膜14の膜厚とのアスペクト比が2以上になることが好ましい。例えば、チャネル長が0.4μmであれば、低濃度薄膜14の膜厚を0.2μm以下として、チャネル長/低濃度薄膜14の膜厚≧2とすることが好ましい。
The low-concentration
また、低濃度薄膜14は、トレンチ18の中心Oに近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有する。具体的には、低濃度薄膜14は、n++型ソース領域7、p+型ベース層6およびn型領域5と接する部分で不純物濃度が最も高く、後述するゲート絶縁膜9に接する部分で不純物濃度が最も低くなっている。p+型ベース層6と接する領域で不純物濃度が最も高いため、低濃度薄膜14は、チャネル領域の抵抗をさらに増加させることができる。
Further, the low-concentration
また、図9に示すように、実施の形態2では、p+++型コンタクト領域8は、第2p++型領域4に接していなくてもよい。
Further, as shown in FIG. 9, in the second embodiment, the p +++
次に、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。図10〜15は、実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、実施の形態1と同様に、n+型炭化珪素基板1を用意し、上側第2p++型領域4bを選択的に形成する工程までの工程を順に行う(図2、図3参照)。
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment will be described. 10 to 15 are cross-sectional views showing a state in the middle of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment. First, as in the first embodiment, the n + type
次に、上側n型領域5bおよび上側第2p+型領域4bの上に、p+型ベース層6をエピタキシャル成長させる。例えば、p+型ベース層6を形成するためのエピタキシャル成長の条件を、p+型ベース層6の不純物濃度が1.7×1017/cm3程度となるように設定してもよい。また、p型不純物のイオン注入により、上側n型領域5bの導電型を反転させることで、p+型ベース層6を形成しても良い。
Next, the p +
次に、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、p+型ベース層6の表面層に、第2p++型領域4に接しないp+++型コンタクト領域8を選択的に形成する。例えば、p+++型コンタクト領域8を形成するためのイオン注入時のドーズ量を、不純物濃度が3×1020/cm3程度となるように設定してもよい。ここまでの状態が図10に記載される。
Next, a p +++
次に、フォトリソグラフィおよびn型不純物のイオン注入により、p+型ベース層6の表面層にp+++型コンタクト領域8に接するようにn++型ソース領域7を選択的に形成する。例えば、n++型ソース領域7を形成するためのイオン注入時のドーズ量を、不純物濃度が3×1020/cm3程度となるように設定してもよい。n++型ソース領域7とp+++型コンタクト領域8との形成順序を入れ替えてもよい。
Next, the n ++ type
次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、n++型ソース領域7およびp+型ベース層6を貫通して、n型領域5および下側第2p+型領域4aに達するトレンチ18を形成する。トレンチ形成時のマスクには酸化膜を用いる。ここまでの状態が図11に記載される。
Next, photolithography and etching are performed to form a
次に、n++型ソース領域7上、p+++型コンタクト領域8上およびトレンチ18の内部に、低濃度薄膜14となる低濃度薄膜14”を0.1μmより厚くエピタキシャル成長させる。このエピタキシャル成長により、n++型ソース領域7上、p+++型コンタクト領域8上、トレンチ18の上部、側壁および底に、半導体膜14”が厚く堆積される。なお、トレンチ18の上部とは、トレンチ18とn++型ソース領域7と接する領域からソース側の部分である。また、トレンチ18の側壁とは、n++型ソース領域7、p+型ベース層6およびn型領域5と接する部分である。図12に示すように、トレンチ18の上部は、特に厚く堆積され、トレンチ18の開口部を覆うように低濃度薄膜14”が形成される。
Next, a low-concentration
例えば、低濃度薄膜14”を形成するためのエピタキシャル成長の条件を、低濃度薄膜14”の不純物濃度が1×1014〜5×1016/cm3程度となるように設定してもよい。また、低濃度薄膜14”の濃度の誤差は、±100%程度である。ここで、低濃度薄膜14”の導電型は、n型でも、p型でもかまわない。さらに、低濃度薄膜14”はノンドープであってもかまわない。ここまでの状態が図12に記載される。
For example, the conditions for epitaxial growth for forming the low-concentration
具体的に、ノンドープの低濃度薄膜14”をエピタキシャル成長させる場合、エピタキシャル成長装置内に、炭化珪素基体100を搬入し、炭化珪素基体100の温度を1500℃以上1700℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、炭化珪素基体100の表面に、水素(H2)ガスをキャリアガスに用いて、原料ガスであるシラン(SiH4)ガスとプロパン(C3H8)ガスとを同時に供給して、ガスの圧力を5000Pa以上20000Pa以下の範囲内での所望の圧力に制御して、所望の設定膜厚に応じた成膜時間を設定することで、エピタキシャル層を形成する。H2ガスの流量は、例えば、50slm以上200slm(standard liter per minute)以下とし、SiH4ガスの流量は、例えば、10sccm以上100sccm(standard cubic centimeter per minute)以下とし、C3H8ガスの流量は、例えば、10sccm以上100sccm以下とする。
Specifically, when the non-doped low-concentration
また、n型の低濃度薄膜14”をエピタキシャル成長させる場合、エピタキシャル成長装置内に、炭化珪素基体100を搬入し、炭化珪素基体100の温度を1500℃以上1700℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、炭化珪素基体100の表面に、水素(H2)ガスをキャリアガスに用いて、原料ガスであるシラン(SiH4)ガスとプロパン(C3H8)ガスとを同時に供給すると共に、窒素(N2)を含むドーパントガスを供給して、ガスの圧力を5000Pa以上20000Pa以下の範囲内での所望の圧力に制御して、所望の設定膜厚に応じた成膜時間を設定することで、エピタキシャル層を形成する。H2ガスの流量は、例えば、50slm以上200slm以下とし、SiH4ガスの流量は、例えば、10sccm以上100sccm以下とし、C3H8ガスの流量は、例えば、10sccm以上100sccm以下とし、N2ガスの流量は、例えば、1sccm以上20sccm以下とする。
Further, when the n-type low-concentration
また、p型の低濃度薄膜14”をエピタキシャル成長させる場合、エピタキシャル成長装置内に、炭化珪素基体100を搬入し、炭化珪素基体100の温度を1500℃以上1700℃以下の範囲内での所望の設定温度にして、炭化珪素基体100の表面に、水素(H2)ガスをキャリアガスに用いて、原料ガスであるシラン(SiH4)ガスとプロパン(C3H8)ガスとを同時に供給すると共に、トリメチルアルミニウム(TMA:Trimethylaluminium:(CH3)3Al)を含むドーパントガスを供給して、ガスの圧力を5000Pa以上20000Pa以下の範囲内での所望の圧力に制御して、所望の設定膜厚に応じた成膜時間を設定することで、エピタキシャル層を形成する。H2ガスの流量は、例えば、50slm以上200slm以下とし、SiH4ガスの流量は、例えば、10sccm以上100sccm以下とし、C3H8ガスの流量は、例えば、10sccm以上100sccm以下とし、TMAガスの流量は、例えば、0.01sccm以上0.5sccm以下とする。
Further, when the p-type low-concentration
次に、エッチバックを行いトレンチ18の上部および底の低濃度薄膜14”を除去して、低濃度薄膜14’を形成する。具体的には、低濃度薄膜14”のn++型ソース領域7上、p+++型コンタクト領域8上およびトレンチ18の側壁の部分も部分的に除去され、それぞれの厚さが0.03〜0.1μmになり、低濃度薄膜14”のトレンチ18の底の部分がなくなるまで、異方性エッチングを行う。このようにして、n++型ソース領域7上、p+++型コンタクト領域8上およびトレンチ18の内部に、厚さ0.03〜0.1μmまで薄膜を形成できる。薄い薄膜をエピタキシャル成長させるには、時間、流量、圧力等の制御が難しいが、厚い膜を形成しエッチングにより薄くすることで、薄膜を容易に作成することができる。ここまでの状態が図13に記載される。
Next, etching back is performed to remove the low-concentration
具体的に、低濃度薄膜14”のエッチバックは、誘導結合プラズマ方式(ICP:Inductively Coupled Plasma)を採用したICPエッチング装置内に、炭化珪素基体100を搬入し、炭化珪素基体100の表面に、エッチングガスである六フッ化硫黄(SF6)ガス、酸素(O2)およびアルゴン(Ar)の混合ガスを用い、アンテナパワーを1000以上2000W以下とし、バイアスパワーを100以上500W以下とし、ガスの圧力を0.1以上2.0Pa以下の範囲内での所望の圧力に制御して、所望の設定膜厚に応じたエッチング時間を設定することで、エッチバック行う。SF6ガスの流量は、例えば、1sccm以上50sccm以下とし、O2ガスの流量は、例えば、1sccm以上50sccm以下とし、Arガスの流量は、例えば、50sccm以上300sccm以下とする。
Specifically, the etchback of the low-concentration
また、低濃度薄膜14’形成後に、トレンチ18のダメージを除去するための等方性エッチングや、トレンチ18の底部およびトレンチ18の開口部の角を丸めるための水素アニールを施してもよい。等方性エッチングと水素アニールはどちらか一方のみを行ってもよい。また、等方性エッチングを行った後に水素アニールを行ってもよい。水素アニールは、例えば、1500℃で行う。
Further, after forming the low-concentration thin film 14', isotropic etching for removing damage to the
水素アニールを行った場合、水素アニールにより、低濃度薄膜14’は、低濃度薄膜14となる。つまり、接する領域と導電型が同じである低濃度薄膜14が形成される。具体的には、低濃度薄膜14’のn++型ソース領域7と接する部分は、n++型ソース領域7からn型不純物、例えばリン(P)が、横方向および縦方向に拡散し、導電型がn-型となる。ここで、横方向は、トレンチの幅方向であり、横方向に拡散する部分は、トレンチ18内の低濃度薄膜14’がn++型ソース領域7と接する部分である。また、縦方向は、トレンチの深さ方向であり、縦方向に拡散する部分は、炭化珪素基体100の上部で低濃度薄膜14’がn++型ソース領域7と接する部分である。同様に、低濃度薄膜14’のp+型ベース層6と接する部分は、p+型ベース層6からp型不純物、例えばアルミニウム(Al)が横方向に拡散し、導電型がp-型となる。低濃度薄膜14’のp+型ベース層6、n型領域5と接する部分も同様である。なお、炭化珪素は、不純物が拡散しにくい材料であるため、横方向に拡散した不純物が縦方向にさらに拡散することは少ない。このため、低濃度薄膜14は、低濃度薄膜14と接する領域の導電型と同じになる。
When hydrogen annealing is performed, the low-concentration thin film 14'becomes a low-concentration
また、低濃度薄膜14は、低濃度薄膜14と接する領域から、p型またはn型の不純物が拡散するため、低濃度薄膜14の不純物濃度は、n++型ソース領域7、p+型ベース層6等と接する部分がもっと高くなり、n++型ソース領域7、p+型ベース層6等から離れるにしたがって低くなる。これにより、低濃度薄膜14は、トレンチ18の中心Oに近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有する。
Further, since the low-concentration
次に、イオン注入された領域に対して、活性化アニールを施す。例えば、活性化アニールは1700℃で行う。これにより、n++型ソース領域7、p+++型コンタクト領域8にイオン注入された不純物が活性化される。ここで、トレンチ18に対する水素アニールを行わなかった場合、活性化アニールにより、低濃度薄膜14’は、低濃度薄膜14となる。処理内容は、トレンチ18に対する水素アニールの場合と同様であるため、省略する。ここまでの状態が図14に記載される。また、活性化アニールは、トレンチ18を形成する前に実施する場合もある。この場合、低濃度薄膜14を形成するため、トレンチ18に対する水素アニールを実施する必要がある。
Next, activation annealing is performed on the ion-implanted region. For example, activation annealing is performed at 1700 ° C. As a result, the impurities ion-implanted into the n ++ type
次に、炭化珪素基体100のおもて面およびトレンチ18の内壁に沿ってゲート絶縁膜9を形成する。次に、トレンチ18に埋め込むように例えばポリシリコンを堆積しエッチングすることで、トレンチ18の内部にゲート電極10となるポリシリコンを残す。その際、エッチバックしてポリシリコンを基体表部より内側に残すようにエッチングしてもよく、パターニングとエッチングを施すことでポリシリコンが基体表部より外側に突出していてもよい。ここまでの状態が図15に記載される。
Next, the
次に、実施の形態1と同様に層間絶縁膜11を形成する工程から、ドレイン電極13を形成する工程を行う。このようにして、図9に示すMOSFETが完成する。
Next, the step of forming the
以上、説明したように、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態2では、低濃度薄膜が、トレンチの底に設けられていないことにより、ドリフト−ゲート間の容量が小さくなり、スイッチング時の損失が低減できる。これにより、動作時に、電力損失が少なく、発熱が少ない半導体装置を実現できる。 As described above, according to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. Further, in the second embodiment, since the low-concentration thin film is not provided at the bottom of the trench, the capacitance between the drift and the gate is reduced, and the loss during switching can be reduced. As a result, it is possible to realize a semiconductor device having less power loss and less heat generation during operation.
また、低濃度薄膜をエピタキシャル成長で形成するには、時間、流量、圧力等の制御が難しいが、実施の形態2では、厚い膜を形成して、エッチングにより薄くしているため、低濃度薄膜を容易に作成することができる。 Further, in order to form a low-concentration thin film by epitaxial growth, it is difficult to control the time, flow rate, pressure, etc. However, in the second embodiment, since a thick film is formed and thinned by etching, the low-concentration thin film is formed. It can be easily created.
(実施の形態3)
次に、実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の構造について説明する。図16は、実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置が実施の形態2にかかる炭化珪素半導体装置と異なる点は、図16に示すように、実施の形態3では、トレンチ18の底に接する第1p++型領域3を備えていない点である。
(Embodiment 3)
Next, the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment will be described. FIG. 16 is a cross-sectional view showing the structure of the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment. The difference between the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment and the silicon carbide semiconductor device according to the second embodiment is that, as shown in FIG. 16, in the third embodiment, the first p ++ type in contact with the bottom of the
ここで、第1p++型領域3が存在すると、トレンチ18の底に低濃度薄膜14がないため、第1p++型領域3にn型の不純物がしみこんで、第1p++型領域3が抵抗となり、オン抵抗が増加してしまう。一方、実施の形態3では、第1p++型領域3がないため、抵抗になる領域が存在せず、実施の形態2よりさらにオン抵抗が低減する。なお、第1p++型領域3がないことにより、トレンチ18の底に電界が集中するが、例えば、層間絶縁膜11を厚くする、または、トレンチ18と第2p++型領域4との間の距離を短くすることによって、トレンチ18の底の電界集中を緩和することができる。
Here, when the first 1p ++ type region 3 is present, because there is no low density
次に、実施の形態3にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。まず、実施の形態1と同様に、n+型炭化珪素基板1を用意し、下側n型領域5aをエピタキシャル成長させる工程までの工程を順に行う(図2参照)。
Next, a method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the third embodiment will be described. First, as in the first embodiment, the n + type
次に、フォトリソグラフィおよびp型不純物のイオン注入により、下側n型領域5aの表面層に、下側第2p++型領域4aを選択的に形成する。つまり、下側n型領域5aの表面層に、第1p++型領域3を形成しない。実施の形態1の図3との違いは、第1p++型領域3がないことのみであるため、図示は省略する。その後、実施の形態2と同様に、上側n型領域5bをエピタキシャル成長させる工程以降の工程を順に行うことで、図16に示すMOSFETが完成する。
Next, the lower second p ++
以上、説明したように、実施の形態3によれば、実施の形態2と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態3では、トレンチの底に接する第1p++型領域を備えていない。これにより、n型の不純物がしみこんで、抵抗となる領域が存在しないため、実施の形態2よりさらにオン抵抗を低減することができる。 As described above, according to the third embodiment, the same effect as that of the second embodiment can be obtained. Further, the third embodiment does not include a first p ++ type region in contact with the bottom of the trench. As a result, since there is no region where n-type impurities permeate and become a resistance, the on-resistance can be further reduced as compared with the second embodiment.
(実施例)
本実施例では、エピタキシャル成長装置内に、炭化珪素基体100を搬入し、炭化珪素基体100の温度を1630℃にして、炭化珪素基体100の表面に、H2ガスをキャリアガスに用いて、原料ガスであるSiH4ガスとC3H8ガスとを同時に供給すると共に、N2を含むドーパントガスを供給して、ガスの圧力を10000Paの圧力に制御して、n型の低濃度薄膜14”を形成した。H2ガスの流量は、100slmとし、SiH4ガスの流量は、50sccmとし、C3H8ガスの流量は、20sccmとし、N2ガスの流量は、3sccmとした。
(Example)
In this embodiment, the
次に、ICPエッチング装置内に、炭化珪素基体100を搬入し、炭化珪素基体100の表面に、エッチングガスであるSF6ガス、O2およびArの混合ガスを用い、アンテナパワーを1700Wとし、バイアスパワーを210Wとし、ガスの圧力を0.8Paに制御して、エッチバックを行った。SF6ガスの流量は、10sccmとし、O2ガスの流量は、15sccmとし、Arガスの流量は、140sccmとした。
Next, the silicon carbide substrate 100 is carried into the ICP etching apparatus, and a mixed gas of SF 6 gas, O 2 and Ar, which is an etching gas, is used on the surface of the
このように炭化珪素半導体装置を作成して、チャネル長を短くすることで、オン抵抗が下がることを確認し、さらに、閾値電圧の低下を起こさないことを確認した。また、スイッチング時の損失が低減でき、動作時に電力損失が少なくなることも確認した。 By producing the silicon carbide semiconductor device in this way and shortening the channel length, it was confirmed that the on-resistance was lowered, and further, it was confirmed that the threshold voltage was not lowered. It was also confirmed that the loss during switching can be reduced and the power loss during operation is reduced.
以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、上述した各実施の形態では、MOSFETを例に説明しているが、これに限らず、所定のゲート閾値電圧に基づいてゲート駆動制御されることで電流を導通および遮断する種々な炭化珪素半導体装置にも広く適用可能である。ゲート駆動制御される炭化珪素半導体装置として、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などが挙げられる。また、上述した各実施の形態では、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素を用いた場合を例に説明しているが、炭化珪素以外の例えば窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体にも適用可能である。また、各実施の形態では第1導電型をn型とし、第2導電型をp型としたが、本発明は第1導電型をp型とし、第2導電型をn型としても同様に成り立つ。 In the above, the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention, and in each of the above-described embodiments, for example, the dimensions of each part, the impurity concentration, and the like are set in various ways according to the required specifications and the like. Further, in each of the above-described embodiments, MOSFETs are described as an example, but the present invention is not limited to this, and various types of silicon carbide that conduct and cut off current by being gate-driven and controlled based on a predetermined gate threshold voltage. It can be widely applied to semiconductor devices. Examples of the silicon carbide semiconductor device whose gate drive is controlled include an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: Insulated Gate Bipolar Transistor) and the like. Further, in each of the above-described embodiments, the case where silicon carbide is used as the wide bandgap semiconductor is described as an example, but it can also be applied to a widebandgap semiconductor such as gallium nitride (GaN) other than silicon carbide. Is. Further, in each embodiment, the first conductive type is n-type and the second conductive type is p-type, but in the present invention, the first conductive type is p-type and the second conductive type is n-type. It holds.
以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法は、電力変換装置や種々の産業用機械などの電源装置などに使用されるパワー半導体装置に有用であり、特にトレンチゲート構造の炭化珪素半導体装置に適している。 As described above, the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention are particularly useful for power semiconductor devices used in power conversion devices and power supply devices for various industrial machines. Suitable for silicon carbide semiconductor devices with a trench gate structure.
1 n+型炭化珪素基板
2 n-型ドリフト層
3 第1p++型領域
4 第2p++型領域
4a 下側第2p++型領域
4b 上側第2p++型領域
5 n型領域
5a 下側n型領域
5b 上側n型領域
6 p+型ベース層
7 n++型ソース領域
8 p+++型コンタクト領域
9 ゲート絶縁膜
10 ゲート電極
11 層間絶縁膜
12 ソース電極
13 ドレイン電極
14 低濃度薄膜
15 ニッケルシリサイド膜
18 トレンチ
1 n + type silicon carbide substrate 2 n -
Claims (7)
前記第1半導体層の、前記炭化珪素基板側に対して反対側に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチと、
前記トレンチの内部に設けられた、前記第2半導体層および前記第1半導体層と接する半導体膜と、
前記トレンチの内部、前記半導体膜の内側にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記第1半導体領域および前記第2半導体層に接する第1電極と、
前記炭化珪素基板の裏面に設けられた第2電極と、
を備え、
前記半導体膜は、前記第2半導体層と接する領域が、前記第2半導体層より不純物濃度の低い第2導電型の領域であり、前記第1半導体層と接する領域が、前記第1半導体層より不純物濃度の低い第1導電型の領域であり、前記トレンチの中心に近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有することを特徴とする炭化珪素半導体装置。 The first conductive type first semiconductor layer provided on the front surface of the silicon carbide substrate and
A second conductive type second semiconductor layer provided on the opposite side of the first semiconductor layer with respect to the silicon carbide substrate side,
A first conductive type first semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer, which is selectively provided inside the second semiconductor layer,
A trench that penetrates the first semiconductor region and the second semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer,
A semiconductor film provided inside the trench and in contact with the second semiconductor layer and the first semiconductor layer,
A gate electrode provided inside the trench and inside the semiconductor film via a gate insulating film, and
The first electrode in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor layer, and
A second electrode provided on the back surface of the silicon carbide substrate and
With
In the semiconductor film, the region in contact with the second semiconductor layer is a second conductive type region having a lower impurity concentration than the second semiconductor layer, and the region in contact with the first semiconductor layer is from the first semiconductor layer. Ri region der of low impurity concentration first conductivity type silicon carbide semiconductor device in which the impurity concentration closer to the center of the trench and having a profile lower.
前記第1半導体層の、前記炭化珪素基板側に対して反対側に第2導電型の第2半導体層を形成する第2工程と、A second step of forming a second conductive type second semiconductor layer on the side of the first semiconductor layer opposite to the silicon carbide substrate side,
前記第2半導体層の内部に、前記第1半導体層よりも不純物濃度の高い第1導電型の第1半導体領域を選択的に形成する第3工程と、A third step of selectively forming a first conductive type first semiconductor region having a higher impurity concentration than the first semiconductor layer inside the second semiconductor layer.
前記第1半導体領域および前記第2半導体層を貫通して前記第1半導体層に達するトレンチを形成する第4工程と、A fourth step of forming a trench that penetrates the first semiconductor region and the second semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer.
前記トレンチの内部に、前記第2半導体層および前記第1半導体層と接する半導体膜を形成する第5工程と、A fifth step of forming a semiconductor film in contact with the second semiconductor layer and the first semiconductor layer inside the trench.
前記トレンチの内部、前記半導体膜の内側にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極を形成する第6工程と、A sixth step of forming a gate electrode provided inside the trench and inside the semiconductor film via a gate insulating film, and
前記第1半導体領域および前記第2半導体層に接する第1電極を形成する第7工程と、The seventh step of forming the first electrode in contact with the first semiconductor region and the second semiconductor layer, and
前記炭化珪素基板の裏面に第2電極を形成する第8工程と、The eighth step of forming the second electrode on the back surface of the silicon carbide substrate, and
を備え、With
前記第5工程は、前記半導体膜の前記第2半導体層と接する領域を、前記第2半導体層より不純物濃度の低い第2導電型の領域に形成し、前記半導体膜の前記第1半導体層と接する領域を、前記第1半導体層より不純物濃度の低い第1導電型の領域に形成し、前記半導体膜を、前記トレンチの中心に近づくほど不純物濃度が低くなるプロファイルを有するように形成することを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。In the fifth step, a region of the semiconductor film in contact with the second semiconductor layer is formed in a second conductive type region having a lower impurity concentration than the second semiconductor layer, and the region is formed with the first semiconductor layer of the semiconductor film. The contacting region is formed in the first conductive type region having a lower impurity concentration than the first semiconductor layer, and the semiconductor film is formed so as to have a profile in which the impurity concentration becomes lower as it approaches the center of the trench. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device as a feature.
前記第1半導体領域上、前記第2半導体層上、および前記トレンチの内部に、前記半導体膜をエピタキシャル成長させる工程と、A step of epitaxially growing the semiconductor film on the first semiconductor region, on the second semiconductor layer, and inside the trench.
前記トレンチの底の前記半導体膜を除去する工程と、The step of removing the semiconductor film at the bottom of the trench and
前記半導体膜の前記第2半導体層と接する領域を、前記第2半導体層より不純物濃度の低い前記第2導電型の領域にする工程と、A step of forming a region of the semiconductor film in contact with the second semiconductor layer into a second conductive type region having a lower impurity concentration than the second semiconductor layer.
を含む工程であることを特徴とする請求項3に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 3, wherein the process includes the above.
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